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《西南石油大学》 2018年
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超声成像模拟的并行计算研究

张付良  
【摘要】:超声成像模拟是研究超声成像算法和临床应用研究的基础,以超声成像为应用目标,模拟复杂的人体组织并进行超声成像一直是一个热门的研究领域。超声成像模拟过程通常包含两个部分,第一部分是通过构建数字化体模来模拟人体组织复杂结构;第二部分是利用计算机程序模拟超声成像的过程。超声成像模拟可以生成近似于真实的超声成像状况下的B-mode图像及相应的RF信号,这为超声成像算法的验证与测试提供了必要条件。但是由于计算数据量大且模拟过程太过复杂,超声成像模拟需要大量时间,无法满足在如临床培训等业务中对于超声成像模拟的实时性和高真实度的要求。本文的研究致力于提高超声成像模拟的速度,结合到当前计算机硬件技术的发展,尤其是多核CPU和众核GPU技术的快速发展,本文利用并行计算技术来实现超声成像模拟过程的加速,通过CPU多核和GPU众核并行方案对超声成像模拟过程加速,主要工作如下:1)提出基于Field Ⅱ超声成像模拟的CPU多核并行方案。为了提高Field Ⅱ模拟超声成像的速度,充分利用多核与分布式计算资源,本文利用Matlab并行工具箱及分布式计算服务器来实现Field Ⅱ的并行与分布式超声成像模拟。通过与单线程执行的FieldⅡ对比,实验得到的加速比大致上与所采用的CPU核成正比,在采用线阵探头和相控阵探头进行超声成像模拟时,利用32个计算核对应的加速比分别达到22倍和25.5倍。2)提出基于波束形成的超声成像模拟的GPU众核并行方案。研究了基于合成发射孔径的超声波束形成过程,针对该算法计算密集型的特点,结合CUDA并行编程技术对波束形成算法进行并行性分析和实现。通过比较原算法在CPU下的串行实现,GPU众核并行实现方案有效提高了波束形成模拟算法的速度,加速比最大达到7.9倍,并且模拟成像结果和CPU完全一致。另外,相比于FieldⅡ仿真平台模拟结果,基于波束形成的超声成像模拟的结果更接近于实际超声成像。3)在前面研究的基础上实现超声弹性成像的快速模拟方案。结合有限元分析方法和有限元分析软件ANSYS,对组织模型进行有限元模拟分析,得到压缩后的散射体模型。然后利用Field Ⅱ并行与分布式计算平台采集组织压缩前后的RF信号,结合归一化互相关算法进行位移应变估计。从实验结果来看,本文实现的模拟方案能够快速得到压缩前后的RF信号,准确估计出组织的位移和应变,加快超声弹性成像应用研究。
【学位授予单位】:西南石油大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TP391.41;TB559

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